长期以来,天文学家一直对超大质量黑洞感到困惑,这些黑洞似乎在宇宙最早的时代就完全形成了。现在,一篇新的论文表明,这些巨大的黑洞可能在大爆炸开始时就以微小的原始“种子”的形式出现了。
几乎所有星系的核心都有超大质量黑洞。它们的大小从大约10万倍太阳质量到数十亿倍太阳质量不等。最令人惊讶的是,詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的观测显示,这些巨行星存在于宇宙黎明的边缘,就在宇宙大爆炸后几亿年,就在第一批恒星和星系开始形成之后。
超大质量黑洞出现得如此之早的挑战在于,我们只知道形成黑洞的一种方式:通过大质量恒星的死亡。恒星需要形成、生存、死亡,并留下黑洞。然后它们需要合并和吸积新物质以达到巨大的比例,所有这些都在极短的时间内完成。
这种不寻常的情况促使研究人员想出了快速构建巨大黑洞的聪明方法。在提交给《宇宙学与天体粒子物理学杂志》的一篇论文中,研究人员提出了一个激进的解决方案:这些巨大的黑洞可能诞生于早期的宇宙。
在20世纪70年代,斯蒂芬·霍金提出,在大爆炸的最初几分钟,宇宙可能自然地产生了大量的小黑洞。这些黑洞不会来自恒星的坍缩;更确切地说,它们将直接产生于那些早期时代的混沌波动中被压缩到高密度的物质和能量。
霍金认为,这些可能像小行星一样小的黑洞会通过所谓的霍金辐射慢慢溶解,并在当今的宇宙中可见。几十年的调查没有发现这些原始黑洞存在的任何证据,所以我们知道,如果它们存在,它们一定只占宇宙中所有物质的一小部分。
但这已经足够了:研究人员发现,即使是一小部分原始黑洞也可以在1亿年的时间里成长。如果这些黑洞发现自己处于最密集的物质集合中,那么在JWST观察到它们的时代,它们可能已经吸积了足够的物质,达到了超大质量的状态。
在这种情况下,巨大的黑洞——甚至很可能是银河系中心的黑洞——不会在第一批恒星和星系形成后生长,而是与它们平行生长。它们的大部分质量是在宇宙黑暗时代获得的,也就是星光照耀整个宇宙之前的时期。当第一批恒星点燃时,它们可能与巨大的怪物共享宇宙。
在这个阶段,这个想法只是一个假设。研究人员提出,这个黑洞增长的模型应该被纳入第一批恒星和星系发展的模拟中,看看这个场景有多真实。然后,他们可以将这些更真实的黑洞与观测结果进行比较,看看这是否能解释这个谜团。